Mennyi a nulla, mennyi a közel?

A számszerű követelményeket a tagországoknak kell meghatároznia és az ezzel összefüggő dokumentumaikat 2012-ben benyújtania. A műszaki szempontból lehetséges követelmények meghatározására a Debreceni Egyetem kapott megbízást, ezzel párhuzamosan folynak az Energiaklubban az Unió által előírt módszer és bemenő adatok alapján a gazdaságossági számítások.

Az eredeti meghatározás („recast”) szerint a közel nulla energiaigényű épület

• energetikai teljesítménye magas – a honi terminológia szerint ez azt jelenti, hogy az épület veszteségei kicsik, az épület a nyereségáramokat jól hasznosítja, az épület a túlzott nyári felmelegedés ellen jól védett; ide érthető még az is, hogy az épületgépészeti rendszerek jó hatásfokúak, segédenergia igényük csekély;

• az energiaigény közel nulla vagy nagyon alacsony – ez részben következik az előző pontból, de az előző pont helyett e pont alatt (is) lehet gondolni az épületgépészeti rendszerekre, ugyanakkor a mondat értelme vitatható, mert bár a fűtés, hűtés energiaigénye az ésszerűség határáig (sőt azon túl is) csökkenthető, a melegvízellátás nettó energiaigénye nem korlátozható: valamennyi térfogatú és valamilyen hőmérsékletű melegvízre szükség van;

• az energiaigényt (amely az előzőek szerint alacsony, de a melegvízellátás miatt egyáltalán nem lehet közel nulla) nagyon jelentős mértékben megújuló energiaforrásokból kell fedezni (beleértve a megújuló forrásokból helyben vagy közelben kinyert energiát) – azaz bárminemű megújuló energiát, hiszen amibe beleértendő a „helyben” vagy „közelben”, az legalább olyan tág köre a megújuló forrásoknak, mint a közelben.

A javasolt követelményérték tárgya az épület által „importált” és „exportált” primer energia különbsége, a rendszer határa a telekhatár. A követelményértéket ezután is a fajlagos éves primer energiaigény formájában kell megfogalmazni.

Ha ezt úgy írjuk elő, hogy teljesítése az elemi szintű követelményeknek megfelelő épület (U értékek, kondenzációs kazán, hővisszanyerő) esetében is csak akkor teljesíthető, ha megújuló energiát is használunk, akkor a megújuló energia hasznosítása gyakorlatilag elkerülhetetlen.

A feladat lehatárolása

A feladat bizonyos elemei eleve meghatározottak, más elemei (amit többen – és többnyire jogosan – idetartozónak vélhetnek) eleve kizártak. A félreértések megelőzése végett célszerű ezeket röviden áttekinteni.

A „közel nulla” energiaigény a „recast” szerint az üzemeltetési energiaigényre és csak arra vonatkozik – tehát ezzel kell foglalkozni akkor is, ha az életciklusra vonatkozó energiamérleg elemzését tartanánk megfelelőnek. A „recastból” idézett hármas követelménynek megfelelően a fajlagos primer energiafogyasztásra vonatkozó korlátozáson túl az elemekre vonatkozó követelményeket is fenn kell tartani (U és g értékek, fajlagos hőveszteségtényező, a gépészeti berendezések hatásfoka…). E tekintetben a Magyar Mérnöki Kamara 2011-ben ismertetett javaslatait és a passzívházak gyakorlatát vettük figyelembe. Noha előbbiek még nem kerültek jóváhagyásra, a „mozgástér” egyrészt meglehetősen szűk, másrészt a végeredmény szempontjából az U értékek néhány századnyi esetleges módosulásának hatása eltörpül a szellőzés és a melegvízellátás energiaigénye mellett.

A tagországok 2006-ban konszenzusra jutottak abban, hogy az energiamérleg mely összetevőit veszik figyelembe. Ezek: fűtés, hűtés, szellőztetés, melegvízellátás, továbbá nem lakóépületek esetében a világítás. Hogy ezek mellett a háztartási gépek, irodai berendezések, liftek energiaigénye is fontos és a villamos hajtású gépkocsik töltése is érdekes, az kétségtelen, de mivel ezeket a tételeket a többi tagország nem veszi figyelembe, így az egységes eljárás és az eredmények összehasonlíthatósága végett mi sem számolunk velük.

Fontos hangsúlyozni, hogy a közel nulla követelményszint nem az elérhető legjobb szint! A „közel nullaként” olyan követelményszintet kell meghatározni, amelyet a 2020-ban érvényes elemi szintű követelmények betartásával és egyféle, megújuló energiát helyben hasznosító rendszerrel a leendő épületek 95%-a mintegy „automatikusan” teljesít. (Ez a műszaki szempontok alapján meghatározott szint a költségoptimalizációs számítások alapján felülbírálható.) A kedvezőbb adottságú és/vagy igényesebb épületek minősítésére a közel nulla követelményszint felett két-három további kategória határozható meg – ezek küszöbszámai és megnevezése megállapodás kérdése.

A megújuló forrásokat jellemzően (de nem kizárólagosan) vagy a városi szövetben elhelyezkedő épületek aktív szoláris rendszerei (kollektor, fotovillamos), vagy biomassza tüzelés vagy hőszivattyú képviselik. A „városi szövet” említésének értelme az, hogy ilyen esetben a homlokzatok benapozottsága korlátozott. A mondatban szereplő „vagy” szavak kizárólagos „vagy”-ként értelmezendők, azaz egy épület esetében egy (azaz egynél nem több) megújuló forrást hasznosító rendszer alkalmazását várjuk el. Szerencsés esetben e mellett (vagy ritkábban e helyett) a hálózatról alacsony primer energiatartalmúszolgáltatás vehető igénybe. A primer energiatartalom önmagában kifejezi azt, hogy a hálózatba betáplált energia egy észe vagy egésze milyen arányban származik megújuló forrásból (és kifejezi a hálózaton való szállítás veszteségeit, energiaigényét is). Ez azonban olyan körülmény, amire általános esetben nem lehet számítani – más kérdés, hogy az ilyen szolgáltatások fejlesztésére törekedni célszerű. A hőszivatytyúk hajtására és esetlegesen más villamos árammal működő hőfejlesztő készülékek üzemeltetésére csúcson kívüli elektromos áram („geotarifa”) is figyelembe vehető, mert a rendszer kiépítése műszaki garancia arra, hogy tárolós üzemmódban működőképes.

Az épületek fennmaradó 5%-a esetében az előbb felsorolt módon a fajlagos primer energiában megfogalmazott követelményérték (kWh/m2a) nem teljesül „automatikusan”. Ebben az esetben a lehetőségek határain belül több megújuló forrás kombinált hasznosítására és/vagy az elemi szintű követelményeknél jobb elemek alkalmazására – tehát „extra” megoldásokra – van szükség.

A módszer

A„recast” referenciaépületeken elvégzendő számítások eredményei alapján várja el a követelményértékek meghatározását. Roppant egyszerű és egyben roppant kockázatos lenne épületkategóriánként (családi ház, lakóépület, iroda, iskola) kiválasztani fél marék olyan épületet, amelyeket valaki jellemzőnek tart, azokra rápakolni a kollektorokat, fotovillamos elemeket, a fűtést biomasszával vagy hőszivattyúval megtámogatni és 50%-ot meghaladó megújuló energia részesedést kimutatni. Csak éppen egy ilyen alapon meghatározott követelményértéknek nagyon sok leendő épület nem felelne meg, ami a szabályozás komolyságát megkérdőjelezné és számos jogi problémához vezetne. De éppúgy helytelen lenne az is, ha ilyen meggondolás alapján túlságosan mértéktartó megoldásokat vennénk figyelembe, ami túl enyhe és ezért az alapvető célt nem szolgáló követelményekhez vezetne.

A fentieknek megfelelő követelmény statisztikai alapon történő előállításához kategóriánként több száz, akár ezer referenciaépületre van szükség. Nem kell azonban, sőt felesleges is lenne kategóriánként ennyi ténylegesen meglévő épület adatait összegyűjteni, a referenciaépületek egy alapadat bázisból véletlenszerűen generálhatók [Szalay: Modelling building stock geometry for energy, emission and mass calculations, Building Research & Information 36 (6) 557-567]. Az eljárás lényege a következő. Egy adott épületkategóriára rögzítjük bizonyos geometriai adatok műszakilag lehetséges alsó és felső értékeit: hasznos alapterület, szintszám, kerület/terület arány, felület/térfogatarány, homlokzati üvegezési arány, belmagasság… – ezek között független és összefüggő adatok egyaránt vannak. Megadjuk az „alsó” és „felső” elem lehetséges változatait (fűtetlen pince, talajon fekvő padló, lapostető, magastető …), a hőtárolóképességre jellemző szerkezeti adatot (könnyű, nehéz), a homlokzati üvegezési arányt, a homlokzatok tájolását, az elemeknek a leendő szabályozás szerint reális U és g értékeinek alsó és felső határait, benapozott vagy árnyékolt állapotát.

A felsorolt adathalmazból véletlenszerűen választunk adategyütteseket (természetesen az összeférhetőség vagy kölcsönös összefüggések figyelembevételével), amelyek így egy-egy technikailag lehetséges épületet jellemeznek. Ezekre meghatározzuk a nettó energiaigényeket, majd ezt a leendő szabályozás épületgépészetre vonatkozó elem szintű követelményeinek megfelelő épületgépészeti rendszereket figyelembe véve „bruttósítjuk”. Így olyan épületek fajlagos bruttó primer energiaigényadatait kapjuk meg, amelyek megfelelnek a „recast” definíció első és második pontjában megfogalmazott elvárásoknak: az épület energetikai teljesítménye magas, az igények (mind nettó, mind bruttó értelemben) alacsonyak. Ugyanezeket a számításokat elvégezzük korszerű biomassza tüzelőberendezések feltételezésével is, ami közvetlenül mutatja az ezzel a megújuló energiával elérhető reális eredményeket.

Ezt követően az épület tetején (lapostető esetén a felépítmények miatt kieső hely és az energiagyűjtő mezők kölcsönös árnyékoló hatását is figyelembe véve) a melegvíz energiaigényének megfelelő felületű kollektormezőt és a fennmaradó helyen fotovillamos mezőt, illetve nem lakóépületek esetében csak fotovillamos mezőt helyezünk el és számítjuk az ezekből nyerhető megújuló energia értékét. Ily módon meghatározzuk az összes bruttó energiaigényből a szoláris rendszerekkel fedezhető részarányt. Ezt az eljárást épületkategóriánként több százszor megismételve olyan nagyszámú technikailag lehetséges épületet és épületgépészeti rendszert állítottunk elő véletlenszerűen, amelyek sokasága minden bizonnyal lefedi azokat a változatokat, amelyeket hat-tíz év múlva fognak tervezni különféle telekadottságok és benapozási feltételek mellett. A végeredmények átlagértéke olyan szám, amelynél a sokaság egyik fele jobb, másik fele rosszabb eredménnyel jellemezhető.

A végeredmények szórásának ismeretében meghatározzuk azt a határértéket, amelyet a sokaság 95%-a teljesít. Ez a „technikai alapon megállapított követelményérték”. Az eljárás eredményeit a lakóépületekre mutatjuk be.

Számítási eredmények

A számítások során a geometriailag racionális határok közé eső „technikailag lehetséges” épületeket vizsgáltuk reprezentatív mintán keresztül. Hat épülettípust vettünk figyelembe:
• egyszintes családi házak,
• kétszintes családi házak,
• háromszintes alacsony társasházak (egy lépcsőházi traktus),
• négyszintes alacsony társasházak (egy lépcsőházi traktus),
• hatszintes középmagas társasházak (egy lépcsőházi traktus),
• tízszintes középmagas társasházak (egy lépcsőházi traktus).

A minta összesen 6000 épületből áll, típusonként 1000 épülettel. Ezek fajlagos éves primer energiaigényeit többféle változatra határoztuk meg (1. – 5. ábrák).

1. ábra. Kondenzációs kazán, légtechnika nincs (az egyes „felhők” egy-egy szintszám kategóriához tartoznak)

2. ábra. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés

3. ábra. Kondenzációs kazán, légtechnika nincs, napkollektor HMV rásegítésre, fennmaradó tetőfelületen napelem

4. ábra. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés, napkollektor HMV rásegítésre, fennmaradó tetőfelületen napelem

5. ábra. Pelletkazán, hővisszanyerős gépi szellőzés

Az ábrasorozaton jól megfigyelhető a szintek számának a szerepe. A tetőn elhelyezhető energiagyűjtő elemek felületének és az összes hasznos alapterületnek az aránya a szintszámok növekedésével egyre kedvezőtlenebb. Ugyancsak a szintek számának növekedésével lesz egyre nagyobb jelentősége a szellőzési veszteségnek.

A javasolt követelmény

A „recast” előírása szerint az igények egy (jelentős) részét megújuló forrásból kell fedezni. Az, hogy van-e a közelben távhálózat és ha igen, akkor a távhálózaton érkező energia egy része megújuló forrásból származik-e, adottság, amire az egyedi épület tervezőjének nincs ráhatása. Az, hogy mi legyen a helyi megújuló energiaforrás, az összes adottság és lehetőség mérlegelésével a tervező döntésén múlik. Szoláris rendszer esetében nyilván kérdés az energiagyűjtő elemek elhelyezésére szolgáló felület nagysága, tájolása, dőlése, benapozottsága. Szilárd biomassza tüzelés esetében az épület településen belüli helye, a szmogképződés kockázata, a tüzelőanyag szállítása és tárolása jelentik a mérlegelendő szempontokat. A talajhő hasznosítási lehetősége a geológiai és telekadottságoktól, a közműhálózat által elfoglalt területektől függ. Azt már a tervezőnek kell az összes körülmény mérlegelésével eldöntenie, hogy a fajlagos éves primer energiaigényben kifejezett követelményérték betartása végett milyen eszközökkel él, a megújuló energiaforrások hasznosításának milyen módját vagy módjait alkalmazza. Csak így kerülhetők el az értelmetlen vagy betarthatatlan közvetlen előírásokból származó problémák, egyedi elbírálást igénylő felmentési kérelmek. (Például szabad-e a tetőidomon a kollektorok helyett a fűtött tetőtér ablakait elhelyezni, de nem lenne célszerű alsó fokú szakhatóságokra bízni egyes tetőidomok benapozás számítás elvégzésén alapuló egyedi felmentési kérelmek elbírálásának sokaságát sem.) Eleve kudarcra van ítélve minden olyan kísérlet, amely közvetlen előírásokkal kívánná a kérdést rendezni (például előírná az alkalmazandó kollektorfelületet).

A követelményértékeket úgy javasoljuk előírni, hogy azok teljesítéséhez egy (azaz egynél nem több) helyi megújuló energiaforrás igénybevétele elkerülhetetlen legyen. Természetesen nincs kizárva az a lehetőség, hogy egy épület esetében egynél több helybeni megújuló energiaforrás hasznosítására kerüljön sor, de ez nem elvárás, hanem egy lehetőség arra, hogy a követelménynél jobb épület létesüljön. Ugyanilyen lehetőséget jelent az, ha külső forrásból alacsony primer energiatartalmú ellátás érhető el – az alacsonyabb primer energiatartalom nyilvánvalóan jelzi, hogy az energia részben vagy egészben megújuló forrásból származik. A javasolt követelményeket az adott szintszám esetén legkedvezőtlenebb megújuló forrásokkal elérhető eredményekhez illesztettük. Ez alacsony szintszámok esetében jellemzően a biomassza tüzelés, nagyobb szintszámok esetében egyforma eséllyel a szoláris rendszerek és a biomassza tüzelés (a 6. ábra példaként a lakóépületekre vonatkozó követelményt mutatja).

6. ábra. Az összesített energetikai jellemző különböző helyi megújuló energiaforrások mellett lakóépületekre

Jelmagyarázat:
I. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés, mint referencia érték
II. Pellet- vagy faelgázosító kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés
III. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés, kollektor és a mellette fennmaradó tetőfelületen napelem
IV. Kondenzációs kazán, kollektor és a mellette fennmaradó tetőfelületen napelem
V. Kondenzációs kazán, hővisszanyerős gépi szellőzés, kollektor
VI. Hőszivattyú, hővisszanyerős gépi szellőzés
Pontozott piros vonal: javasolt követelményérték

Az ábrának megfelelően a javasolt követelményértékeket a következő táblázat tartalmazza:

Egy és két szint esetén a javasolt követelménynél lényegesen alacsonyabb érték gáztüzelés mellett is elérhető, ténylegesen nulla vagy „energia-pozitív” épület is létesíthető, ha a használati melegvíz termeléshez szükséges kollektorfelület mellett fotovillamos mezőt is telepítünk a tetőre. Ebben az esetben a követelmény hővisszanyerős gépi szellőzés nélkül is teljesíthető. Három és négy szint esetén a javasolt követelménynél alacsonyabb érték gáztüzelés mellett is elérhető, ha a használati melegvíz termeléshez szükséges kollektor felület mellett fotovillamos mezőt is telepítünk a tetőre.Ahővisszanyerős gépi szellőzést illetően három szint esetén határeset alakul ki – kompenzáló megoldásokkal (az elemi szintű követelményeknél jobb hőszigetelés, jó tájolás és benapozás) a hővisszanyerős gépi szellőzés elhagyható.

Négy és több szint esetén a követelmény betartása csak hővisszanyerős gépi szellőztetéssel lehetséges. Öt szintig a legkisebb „megújuló részarány” biomassza tüzeléssel érhető el. Ötnél több szint esetén a biomassza tüzeléssel és a szoláris rendszerekkel elérhető „megújuló részarány” gyakorlatilag azonos. Utóbbi esetben a szükséges felületű kollektor mező mellett fotovillamos elemek számára már nem marad hely a tetőn.

Nagyobb szintszámok esetén a talajhőt hasznosító hőszivattyú és a hővisszanyerős gépi szellőzés kombinációja ígéri a legkedvezőbb eredményt.

Több okból is előfordulhat olyan épület, amelyekben a szintek alapterülete nem egyforma (például teraszházak). Ezekben az esetekben az összes hasznos alapterületet osztva az épület vetületi alapterületével tört szintszámot kapunk, a követelményt erre a fenti adatokból lineáris interpolációval származtatjuk.

Szigorú vagy enyhe?

A fenti követelmények szigorúságának megítélése nézőpont kérdése. Tájékozódás végett a következőket érdemes megfontolni. A Passivhaus Institut „passzívház” követelményrendszerében a megengedhető fajlagos éves primer energiafogyasztás 120 kWh/m2a, amely tartalmazza a világítás és valamennyi háztartási készülék energiafogyasztását is. Ugyancsak a Passivhaus Institut kiadványai tartalmaznak adatot a belső hőterhelés tervezési értékére is. A „biztonság javára tévedve” tételezzük fel, hogy az összes belső hőterhelés villamos fogyasztókból származik. Ennek éves egyenértéke primer energiában kifejezve 46 kWh/m2a. Ezt a 120-ból levonva az eredmény 74 kWh/m2a, ami azt jelenti, hogy minden olyan esetben, amikor az általunk javasolt követelményérték ennél alacsonyabb, akkor a követelmény szigorúbb, mint a „paszszívház” előírás. A javasolt követelmények mindegyik szintszám esetén alacsonyabbak.

Összefoglalás

Jelen cikkünkben a „közel nulla” energiaigény műszakilag lehetséges és ésszerű követelményszintje meghatározásának feltételeivel és módszereivel foglalkoztunk, példaként bemutatva a lakóépületekre vonatkozó számszerű értékeket. Rámutattunk azokra a korlátokra és megállapodásokra, amelyek az energiamérleg figyelembe vett összetevőit és a célt illetően a számítás tartalmát eleve meghatározták. Ismételten utalunk a párhuzamosan folyó gazdaságossági számításokra – noha a műszakilag lehetséges és ésszerű megoldásokat illetően tapasztalatok és becslések alapján mértéktartó megoldásokat vettünk figyelembe – nem zárható ki, hogy a gazdaságossági számítások alapján a javasolt követelményeket felül kell vizsgálni.

A teljes jelentés a nyilvános vitát követően is (további kérdések, vélemények közlésére lehetőséget adva) hozzáférhető maradt az e-epites.hu honlapon és letölthető a www.eng.unideb.hu/profzold címről.

Felhasznált irodalom
Szalay: Modelling building stock geometry for energy, emission and mass calculations,
Building Research & Information 36 (6) 557-67.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2012/6. számában jelent meg.

Prof. Zöld András, Szalay Zsuzsa